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方案设计选型小技巧：电源模块发热的原因与解决办法

2023-2-14 14:23:35 2405 电源模块

0 本帖最后由我爱方案网于 2023-2-14 14:24 编辑电源模块发热是工程师常遇见的问题，其发热原因和解决办法有哪些呢？本文将盘点。 01 电源模块发热的4个常见原因电源模块发热问题会严重危害模块的可靠性，使产品的失效率将呈指数规律增加。高温会导致电解电容的寿命降低、变压器漆包线的绝缘特性降低、晶体管损坏、材料热老化、低熔点焊缝开裂、焊点脱落、器件之间的机械应力增大等现象。危害如此之大，需要马上排查发热原因，以下是电源模块发热常见的四个原因： 1、使用的是线性电源导致发热线性电源通过调节调整管RW改变输出电压的大小。由于调整管相当于一个电阻，电流经过电阻时会发热，导致效率不高。线性电源原理图为了防止功率模块严重发热，解决方法是加大散热器、空气冷却、添加导热材料或开关电源。 2、负载太小，不合适电源轻载，即电源电路负载阻抗比较大，这时电源对负载的输出电流比较小。有些电源电路中不允许电源的轻载，否则会使电源电路输出的直流工作电压升高很多，造成对电源电路的损坏。一般电源模块有最小的负载限制，各厂家有所不同，普遍为10%左右。建议在输出端并联一个假负载电阻。负载太小，并联假负载 3、负载过流难题电源过载，与电源轻载情况恰好相反，就是电源电路的负载电路存在短路，使电源电路输出很大的电流，且超出了电源所能承受的范围。对于无过电流保护的电源模块，输出稳压、过电压、过电流保护的解决方案是在输入端外带有过电流保护的线性调压器。负载过流，增加线性稳压器 4、环境温度过高或散热不良使用模块电源前，务必考虑电源模块的温度等级和实际需要的工作温度范围。根据负载功率和实际的环境温度进行降额设计。 02 MOS设计选型在电源模块中，功率MOSFET恐怕是工程师们最常用的器件之一了。在方案设计阶段，做好MOS的选型功课，能有效避免电源模块发热。建议初选应按序考虑如下参数，选出适配的MOS器件： 1、电压应力在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压 VDS 的选择。在此上的基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。即： VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS 注：一般地， V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件下之 V(BR)DSS值作为参考。 2、漏极电流其次考虑漏极电流的选择。基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即： ID_max ≤ 90% * ID ID_pulse ≤ 90% * IDP 注：一般地， ID_max 及 ID_pulse 具有负温度系数，故应取器件在最大结温条件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作为参考。器件此参数的选择是极为不确定的—主要是受工作环境，散热技术，器件其它参数（如导通电阻，热阻等）等相互制约影响所致。最终的判定依据是结点温度（即如下第六条之“耗散功率约束”）。根据经验，在实际应用中规格书目中之 ID 会比实际最大工作电流大数倍，这是因为散耗功率及温升之限制约束。在初选计算时期还须根据下面第六条的散耗功率约束不断调整此参数。建议初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)ID_max。 3、驱动要求* MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量（ Qg ）参数决定。在满足其它参数要求的情况下，尽量选择 Qg 小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择在保证远离最大栅源电压（ VGSS ）前提下使 Ron 尽量小的电压值（一般使用器件规格书中的建议值） 4、损耗及散热小的 Ron 值有利于减小导通期间损耗，小的 Rth 值可减小温度差（同样耗散功率条件下），故有利于散热。 5、损耗功率初算 MOSFET 损耗计算主要包含如下 8 个部分： PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover 详细计算公式应根据具体电路及工作条件而定。例如在同步整流的应用场合，还要考虑体内二极管正向导通期间的损耗和转向截止时的反向恢复损耗。损耗计算可参考下文的“MOS管损耗的8个组成部分”部分。 6、耗散功率约束器件稳态损耗功率 PD,max 应以器件最大工作结温度限制作为考量依据。如能够预先知道器件工作环境温度，则可以按如下方法估算出最大的耗散功率： PD，max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a 其中 Rθj-a 是器件结点到其工作环境之间的总热阻，包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance 等。如其间还有绝缘材料还须将其热阻考虑进去。我爱方案网是一个电子方案开发供应链平台，提供从找方案到研发采购的全链条服务。找方案，上我爱方案网!在方案超市找到合适的方案就可以直接买，没有找到就到快包定制开发。我爱方案网积累了一大批方案商和企业开发资源，能提供标准的模块和核心板以及定制开发服务，按要求交付PCBA、整机产品、软件或IoT系统。 3
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